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脱進機（またはクラウンホイール脱進機）は、機械式時計の歯車列を一定の間隔（ティック）で進めることで速度を制御する機構であり、機械式脱進機の中で最も古いタイプとして知られています。脱進機は、13 世紀後半から 19 世紀半ばまで時計や懐中時計に使用されていました。vergeという名前は、ラテン語のvirgaに由来し、「棒」または「杖」を意味します。[ 1 ]
振動時計の発明は、完全機械式時計の開発を可能にしたため、技術史において重要である。これにより、水時計の液体の流れのような連続的なプロセスによる時間の計測から、振り子の揺れのような反復的で振動的なプロセスによる計測へと移行し、後者の方がより正確である可能性が高まった。[ 2 ] [ 3 ] 振動時計は、現代のすべての時計の時間を刻んでいる。[ 4 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
脱進機は13世紀のヨーロッパに起源を持ち、その発明は最初の完全機械式時計の開発につながった。[ 3 ] [ 9 ] [ 10 ] 13世紀以降、ヨーロッパの町の広場、大聖堂、修道院には大きな塔時計が建てられた。それらは脱進機を使ってフォリオット（原始的なタイプのバランスホイール）を駆動することで時間を刻んでいた。[ 11 ] フォリオットは水平の棒で、両端近くに重りが取り付けられており、垂直の棒（脱進機と呼ばれる）に取り付けられ、自由に回転できるように吊り下げられていた。脱進機によってフォリオットは垂直軸を中心に前後に振動した。[ 12 ]時計の速度は、フォリオット上の重りを内側または外側に移動させることで調整できた。
脱進機は、おそらく数世紀前に登場した鐘を鳴らすための警報機構から発展したと考えられます。[ 13 ] [ 14 ]ヴィラール・ド・オヌクールが1237年に、天使像を指で太陽に追従させる奇妙な機構の図解とともに脱進機を発明したという憶測が ありますが、 [ 15 ] [ 16 ]これは脱進機ではないというのが一般的な見解です。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
13 世紀後半のある時期に、脱進機機構が塔時計に適用され、最初の機械式脱進機時計が作られたと考えられています。[ 11 ] これらの時計は当時、市民の誇りとして称賛され、文献にも記載されていましたが、新しい脱進機が最初に使用された時期は永遠にわからないかもしれません。[ 13 ]これは、わずかな文献資料から、これらの初期の塔時計のうちどれが機械式でどれが水時計であるかを区別することが困難であることが判明したためです。同じラテン語のhorologeが両方に使用されていました。[ 23 ] [ 11 ] オリジナルの機構はどれも無傷で残っていません。どの写本証拠を決定的なものとみなすかによって、機械式として「知られている」最初の時計がどれであるかについては資料によって意見が分かれています。候補の一つは、 1283年にイングランドのベッドフォードシャーにあるダンスタブル修道院の時計です。記録によると、この時計は聖歌隊席の仕切りの上に設置されており、水時計に必要な水を補充するのが難しい場所だったからです。[ 24 ] [ 11 ] もう一つは、1335年にイタリアのミラノにあるヴィスコンティ宮殿で作られた時計です。[ 25 ] 天文学者のロベルトゥス・アングリクスは1271年に、時計職人が脱進機を発明しようとしていたが、まだ成功していなかったと書いています。[ 26 ] [ 11 ] しかし、13世紀後半には機械式時計が存在していたという点では意見が一致しています。[ 3 ] [ 23 ] [ 27 ]
脱進機の最も初期の記述は、リチャード・オブ・ウォリングフォードが1327年にセント・オールバンズ修道院で製作した時計について書いた手稿『Tractatus Horologii Astronomici』にあるが、これはバージではなく、「ストロボ」脱進機と呼ばれる変種である。[ 28 ] [ 29 ] これは、同じ軸上に交互に放射状の歯を持つ一対の脱進車から構成されていた。[ 11 ] バージロッドはそれらの間に吊り下げられており、短い横木が、互い違いの歯が通過する際に、まず一方の方向に回転し、次に反対方向に回転した。他に例は知られていないが、この設計が時計でより一般的なバージよりも先に存在していた可能性がある。[ 28 ]
機械式時計が誕生してから最初の約200年間は、フォリオットまたはバランスホイールを備えたバージ脱進機が機械式時計で使用された唯一の脱進機でした。16世紀には代替の脱進機が登場し始めましたが、バージは17世紀半ばの機械工学の進歩により振り子、そして後にアンカー脱進機が採用されるまで、350年間最もよく使用される脱進機であり続けました。 [ 30 ] 時計は貴重品であったため、振り子の発明後、多くのバージ時計は、このより正確な計時技術を使用するように改造されたため、初期のバージ時計やフォリオット時計で変更されずに今日まで残っているものはほとんどありません。
最初のバージ時計とフォリオット時計の精度については議論の余地があり、1 日あたり 1 ～ 2 時間の誤差という推定値が言及されているが[ 31 ] [ 13 ] [ 2 ]、この構造の時計の現代の実験では、設計とメンテナンスに十分な注意を払えば、1 日あたり数分の精度が達成できることが示されている。[ 32 ] [ 33 ] 初期のバージ時計は、おそらく以前の水時計よりも精度が高かったわけではないが[ 16 ]、貯水槽を満たすために手動で水を運ぶ必要がなく、冬に凍結せず、革新のためのより有望な技術であった。振り子がフォリオットに取って代わった 17 世紀半ばまでに、最高のバージ時計とフォリオット時計は 1 日あたり 15 分という精度を達成した。
初期のバージ時計やフォリオット時計の精度が著しく低い原因のほとんどは、脱進機そのものではなく、フォリオット発振器にあった。1656年頃に時計に振り子が初めて使用されると、バージ時計の精度は1日に数時間から数分にまで急激に向上した。ほとんどの時計はフォリオットを振り子に交換して改造されたため、[ 34 ] [ 35 ]オリジナルのバージ時計やフォリオット時計がそのまま残っているものを見つけるのは今日では難しい。バージ時計の精度も同様に向上したのは、1658年にテンプが導入された後である。
脱進機は、王冠のような形をした脱進車と呼ばれる車輪と、その軸が水平に向いた、鋸歯状の歯が軸方向に前方に突き出た車輪で構成されています。[ 13 ] [ 36 ] その前には、脱進車の歯に反対側でかみ合う2枚の金属板（パレット）が付いた垂直の棒（バージ）があります。パレットは平行ではなく、互いに角度をつけて配置されているため、一度に1枚だけが歯にかみ合います。バージの上部には、慣性振動子、テンプ、または初期の時計ではフォリオットと呼ばれる、両端に重りが付いた水平の梁が取り付けられています。これが時計の計時装置です。
時計の歯車がクラウンホイールを回転させると（アニメーションを参照）、その歯の1つがパレットに引っかかり、パレットを押します。[ 13 ] これにより、バージとフォリオが一方向に回転し、2番目のパレットがホイールの反対側の歯の経路に回転し、歯がパレットの端から滑り落ちてパレットが解放されるまで続きます。次に、クラウンホイールはホイールの反対側の歯が2番目のパレットに接触して押すまで、少し自由に回転します。これにより、バージロッドとフォリオの方向が反転し、バージが反対方向に回転し、この歯が2番目のパレットを通過するまで続きます。その後、サイクルが繰り返されます。結果として、ホイールの回転運動がバージとフォリオの振動運動に変わります。したがって、テンプが1回振れるごとに、脱進機の歯が1つ通過し、時計の歯車列が一定量進み、針が一定の速度で前進します。テンプ（または重り）の慣性モーメントが振動速度を制御し、時計の精度を決定します。脱進機の歯は、振動のたびにアンクルを押し、摩擦によって失われたエネルギーを補う推進力を生み出し、テンプを往復振動させます。
1656年に振り子が発明された後に登場したバージ振り子時計（図参照）では、脱進機が90°回転してバージロッドが水平になり、脱進車の軸は垂直でバージロッドの下に配置されていました。初期の振り子時計では、振り子はテンプやフォリオットではなくバージロッドの端に取り付けられていました。後の振り子時計では、振り子は時計のフレームから短いまっすぐな金属リボンのバネで吊り下げられ、バージロッドの端に取り付けられた垂直のアームの先端は振り子ロッドを包み込むフォーク状になっていました。これにより、振り子を回転軸のあるバージロッドから直接吊り下げる際の摩擦が回避されました。振り子が揺れるたびに、脱進車の歯が1つ解放されました。
脱進機が機能するためには、脱進車には奇数個の歯が必要です。[ 36 ] 偶数個の場合、対向する2つの歯が同時にパレットに接触し、脱進機が詰まってしまいます。パレット間の通常の角度は90°から105°で、[ 13 ] [ 36 ]フォリオまたは振り子の揺れは約80°から100°になります。振り子の揺れを減らして等時性を高めるために、フランス人は115°を超える大きなパレット角度を使用しました。[ 36 ] これにより振り子の揺れは約50°に減り、反動（下記）も減りましたが、バージをクラウンホイールのすぐ近くに配置して歯が軸のすぐ近くのパレットに当たるようにする必要があり、初期のてこの作用が減り摩擦が増加するため、より軽い振り子が必要になります。[ 36 ] [ 37 ]
発明時期が早かったことから予想されるように、バージ式脱進機は広く使われている脱進機の中で最も精度が低い。以下のような問題点がある。
400年間、ほぼすべての時計にバーチ式脱進機が使用されていました。しかし、17世紀半ばに振り子とテンプが導入されたことで精度が向上し、脱進機による誤差に注目が集まるようになりました。1820年代には、より優れた脱進機が登場し、バーチ式脱進機は取って代わられましたが、安価なバーチ式時計は19世紀を通して製造され続けました。
懐中時計では、精度が低いことに加えて、クラウンホイールの垂直方向の配置とかさばるフュージーの必要性から、バージ式ムーブメントは時代遅れの厚みを持つものとなった。フランスの時計職人は、1695年に発明されたより薄いシリンダー脱進機を採用した。イギリスでは、高級時計は1782年に開発されたデュプレックス脱進機を採用したが、比較的安価なバージフュージー時計は、レバー脱進機が主流となる19世紀半ばまで製造され続けた。[ 38 ] [ 39 ] これらの後期のバージ時計は、そのかさばる構造から俗に「カブ」と呼ばれた。
脱進機は、おそらくロバート・フックによって1660年頃に発明され、1680年から広く使われるようになったアンクル脱進機に取って代わられるまで、振り子時計で短期間だけ使用されました。 [ 40 ] 脱進機の問題点は、振り子が80°から100°の広い弧を描いて揺れる必要があったことです。 クリスティアーン・ホイヘンスは1674年に、振り子が広い弧を描いて揺れると、時計機構によって提供される駆動力のわずかな変化に揺れる周期が敏感になるため、振り子の時刻を正確に計ることができないことを示しました。[ 40 ]
脱進機は精度が高いことで知られているわけではないが、精度を出すことは可能である。 1759年と1770年にジョン・ハリソンによって作られた最初の成功した航海用クロノメーターH4とH5は、ダイヤモンドパレットを備えた脱進機を使用していた。[ 13 ] [ 38 ] [ 41 ]試験では、1日あたり0.2秒以内の精度であった。[ 42 ]
今日では、バージ式脱進機はアンティーク時計やアンティークレプリカ時計にしか見られません。多くのオリジナルのブラケットクロックは、ビクトリア朝時代のアンカー式脱進機への改造が元に戻され、オリジナルのバージ式脱進機が復元されています。時計職人はこれをバージ式脱進機の再改造と呼んでいます。
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